fotovoltaico
fotovoltaico
fotovoltàico s. m. – Comparto industriale per la coltivazione e lo sviluppo della fonte rinnovabile costituita dall'energia solare convertita in energia elettrica sfruttando l'effetto fotovoltaico. Il Sole è in grado di supplire a qualunque esigenza energetica terrestre (v. ), purché la conversione dell’energia radiante risulti tecnologicamente ed economicamente compatibile con lo sviluppo socioeconomico. In quest’ultimo ambito, l’efficienza η della conversione della radiazione in una forma di energia direttamente impiegabile per usi diversificati, quale quella elettrica, è uno tra i più importanti fattori da considerare, dato che esso determina la superficie da destinare alle centrali di produzione (solar farms). Tenendo in considerazione il fatto che comunque il flusso della radiazione incidente non ha un valore costante con la latitudine e con la stagione, e che è necessario mediare la durata del giorno con quella della notte lungo tutto l’arco dell’anno, si può attribuire al flusso radiante un valore medio ϕm di circa 200 W/m2 (183 W/m2 a Milano), per cui la potenza generabile Ė è legata alla superficie di dispositivo S dalla relazione Ė=ϕmS. Per soddisfare l’attuale fabbisogno energetico mondiale totale mediante dispositivi che abbiano un rendimento del 10%, è necessaria una superficie pari a quella di un quadrato di area 800×800 km2, corrispondente a circa lo 0,2% della superficie terrestre. Traslando l’esempio sul caso italiano, un fabbisogno elettrico di 0,1 TW potrebbe essere soddisfatto compiutamente da solar farms con superficie totale di circa 70×70 km2 (1,6% del territorio nazionale). Se il rendimento fosse del 20%, tale superficie si ridurrebbe a 50×50 km2 (più o meno la provincia di Pavia). Appare quindi chiaro che il ricorso estensivo all’energia solare non è certo limitato da difficoltà territoriali, bensì da quelle che condizionano la disponibilità di dispositivi in grado di realizzare tale conversione a costi confrontabili con quello delle attuali fonti energetiche.
Principio fisico, tecnologia e prospettive. – Per lo sfruttamento dell'energia solare, l’approccio solare elettrico è quello che appare più promettente, e la sua applicazione più comune si attua nelle celle fotovoltaiche, nelle quali la superficie di un materiale semiconduttore, in cui è presente una giunzione p-n ottenuta per drogaggio, viene esposta alle radiazioni luminose. Il principio di funzionamento della conversione fotovoltaica è il seguente. I fotoni incidenti con energia Δε=hν (essendo ν la loro frequenza e h la costante di Planck) eccitano un elettrone dalla banda di valenza a quella di conduzione, lasciando una lacuna elettronica. La coppia si separa in corrispondenza della giunzione per effetto del campo elettrico che guida gli elettroni nella regione n e le lacune nella regione p, attraverso un movimento (deriva o drift) cui si contrappone la diffusione che tende a ripristinare la situazione iniziale. L’efficienza delle celle fotovoltaiche è pertanto determinata dalla capacità degli elettroni di sfuggire dalla regione p prima di ricombinarsi con le lacune. Le interfacce sono importanti, ma gli eventi principali della fotogenerazione riguardanti la separazione e della ricombinazione dei trasportatori di carica avvengono nel materiale massivo del semiconduttore, le cui caratteristiche chimico-fisiche, in particolare l’energia che separa le due bande (band gap), risultano fondamentali per un funzionamento ottimale delle celle. In sostanza, l’energia della radiazione è convertita in energia elettrica alla giunzione, e l’intensità della corrente che fluisce nel circuito elettrico è espressa dalla differenza fra la velocità di formazione delle coppie elettrone-cavità diminuita da quella della loro ricombinazione attraverso processi non radiativi e radiativi, che dipendono entrambi dalla differenza di potenziale che si istituisce fra i terminali connessi con le regioni p e n. Dato che lo spettro solare copre tutte le lunghezze d’onda dall’infrarosso all’ultravioletto, con un massimo in corrispondenza delle lunghezze del giallo-verde, semiconduttori che presentino band gap in quest'ultimo intervallo di energia possono portare a efficienze superiori di cattura della radiazione e di conversione in elettricità. I fattori di costo del semiconduttore e di processo (ossia della serie di operazioni necessarie per produrre la cella fotovoltaica) sono però anch’essi determinanti nel successo della tecnologia di conversione. Infatti, sfruttando le sinergie con l’industria microelettronica, il materiale attualmente di gran lunga più impiegato nella costruzione delle celle è il silicio. La tecnologia di cella che impiega come materiale il silicio cristallino (monocristallino, policristallino massivo o nastro policristallino) copriva nel 2010 ancora circa l'80% del mercato (96% nel 2005), con prevalenza per la tecnologia basata sul materiale policristallino (efficienza moduli commerciali, Em=11-15%, area per kW, Aw≃8 m2) anche se ormai quasi raggiunta dalla tecnologia per monocristallino (Em=13-19%, Aw≃7 m2). L'evoluzione dei costi industriali, sia del silicio policristallino a purezza elettronica – tornato nel 2012 a livelli inferiori a 40 dollari /kg, dopo essere salito nel periodo 2004-08 fino a toccare prezzi dieci volte superiori – sia dei moduli fotovoltaici nelle varie tecnologie più diffuse, con costi nel 2011 in diminuzione e convergenti in un intervallo sempre più ristretto (0,59÷0,77 euro/W), ha inizialmente favorito la ricerca e il maggiore impiego di sistemi alternativi basati sulle tecnologie a film sottile. Tra queste, che depositano uno strato sottile di materiale semiconduttore su un substrato a basso costo (vetro, acciaio flessibile, plastica, alluminio, ecc.), ha avuto un significativo incremento la tecnologia al tellururo di cadmio (CdTe, Em=10-11%, Aw≃10 m2), passata dal 2% (2005) al 13% (2010) del mercato. Malgrado la minore efficienza di conversione, i moduli a film sottile presentano i vantaggi di una maggiore capacità d’integrazione con gli edifici, sia industriali sia residenziali, e con le applicazioni per utente finale, e di costi industriali più legati all’ammortamento delle linee produttive che alle materie prime. Maggiore efficienza del CdTe, anche se con un costo per ora leggermente superiore, è offerta dalla tecnologia CIS/CIGS (diseleniuro di indio e rame/diseleniuro di indio, gallio e rame, Em=7-12%, Aw≃10 m2), marginale nel mercato (meno del 2%) ma che si ritiene possa acquisirne una quota di poco inferiore al 10% nel 2015 in virtù di costi di conversione che dovrebbero scendere al di sotto del CdTe. Cominciano inoltre ad avere diffusione sul mercato sistemi fotovoltaici basati su concetti diversi, per es. a concentrazione (CPV, Concentrator photovoltaics) e di terza generazione (OPV, Organic photovoltaic, e DSSC, Dye sensitized solar cells , v. celle fotovoltaiche, nuovi materiali per le). I CPV, in cui l’efficienza di conversione è incrementata (Em≃25%) attraverso la concentrazione della radiazione solare per mezzo di ottiche riflettenti (specchi) o rifrattive (lenti) su celle altamente efficienti (per es. multigiunzione in arseniuro di gallio, GaAs), a fronte di una maggiore complessità progettuale e impiantistica, possono essere convenienti in aree a notevole soleggiamento e grande irraggiamento diretto. Le tecnologie di terza generazione emergenti, tra cui vanno considerate anche quelle a film sottile inorganiche avanzate (per es. CIS sferiche), malgrado le efficienze di conversione commerciali non elevate (Em≃4%, per OPV e DSSC) presentano un vantaggio competitivo nelle applicazioni consumer per la massima flessibilità dei substrati e la capacità di operare anche in condizioni di scarsa e variabile luminosità. Queste nuove tecnologie nel complesso dovrebbero raggiungere nel 2020 una quota di mercato del 6% circa. Nel decennio 2001-11, la potenza fotovoltaica mondiale è molto aumentata, passando da 1,7 a circa 70 GW, e può produrre annualmente 85 TWh, ossia una quantità di energia elettrica in grado di soddisfare 20 milioni di utenze domestiche. Il 75% circa di questa potenza è installata in Europa. Giappone (5,5 GW), USA (4,4 GW) e Cina (3,1 GW) costituiscono i più importanti mercati extraeuropei. L’Italia, che anche in virtù di specifiche politiche di incentivazione (v. conto energia) è diventato con 13 GW il secondo Paese in assoluto per potenza fotovoltaica (dopo la Germania, circa 25 GW), ha beneficiato nel 2011 di 9,3 TWh di energia elettrica solare (il 2,8% del fabbisogno nazionale). In prospettiva, il panorama energetico internazionale è favorevole, anche per i vincoli imposti dai , a una crescita mondiale progressiva del fotovoltaico. Secondo lo scenario più probabile proposto dall’IEA (v. ), il suo contributo ai consumi di energia elettrica dovrebbe raggiungere 740 TWh nel 2035, con massimo incremento percentuale proveniente da Cina, USA e India.